INFLUENCE OF CHANNEL GEOMETRY, PRESSURE, TEMPERATURE, OSCILLATIONS AND ADSORPTION ON OBLITERATION OF SLIT SEALS OF ELECTRIC POWER SYSTEMS

Full Text

Процесс облитерации при течении жидкостей, склонных образовывать на стенках каналов слой из адсорбированных молекул, идет одновременно с засорением входа в зазор частицами загрязнений. Если считать, что изменение толщины граничного слоя Е. А. Крестин, Г. В. Серебряков 181 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 при течении через щель подчиняется закономерности [1]: то высота зазора со временем уменьшится до величины: (1) При этом вследствие загрязнения будет уменьшаться и первоначальная ширина щели W0. При протекании через щель единичного объема жидкости ширина канала уменьшится и может быть найдена по формуле В результате уменьшения зазора, в последнем выражении изменится и нижний предел интегрирования: где h(τ) - переменный по времени зазор. Если за время dτ через канал проходит объем жидкости dV = Qdr, то за это же время ширина канала изменится на величину dW = WедQd τ, где - переменный расход через щель. Так как ширина и высота зазора являются переменными величинами по времени W = f(τ) и h = f(τ), то единичный зазор равен: Проинтегрируем это выражение и найдем ширину зазора: (2) Относительный расход в этом случае равен: (3) (4) Уравнение (4) описывает процесс облитерации в общем виде. Если через щель протекает жидкость, не склонная к образованию граничных слоев, когда δmax = 0, а щель зарастает лишь под влиянием загрязненности, тогда выражение (4) преобразуется в известное выражение [2]: Если же высота зазора һ превышает максимальный размер частиц загрязнений, содержащихся в жидкости, а жидкость на стенках канала образует адсорбированные граничные слои, то выражение (4) преобразуется в формулу [3]: На рис. 1 приведен график (кривая 1) проливки жидкости АМГ-10 через плоскую щель размерами: W0 = 5,8 мм; l0 = 4,7 мм и h0 = 10 мкм [4-7]. Перепад давления по концам зазора в экспериментах составлял Δр = 5,0 МПа, а температура жидкости t = 20 °С. Жидкость очищали с помощью фильтра ФГ-11/1, максимальный размер частиц загрязнении в жидкости не превышал 25 мкм. Расход в процессе проливки уменьшался вследствие заращивания канала частицами загрязнений и адсорбционного эффекта, т. е. образования на стенках канала граничных пленок. Найденная по формуле зависимость расхода жидкости от времени движения показывает, каким образом облитерация, обусловленная полярно-активными молекулами (кривая 2 на рис. 1), ведет к изменению расхода. В качестве констант были приняты: максимально возможная толщина граничной пленки δ = 0,48 мкм и коэффициент β = 0,001. Из графика видно, что доля влияния рассмотренных факторов на облитерацию различна (кривая 1 и кривая 2). Решающее значение на изменение расхода оказала загрязненность жидкости. Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 182 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА Влияние размера и конфигурации канала Эксперименты показали, что на процесс облитерации щелевых уплотнений влияют как геометрические размеры, так и конфигурация канала. Изменение длины канала l при неизменной высоте h и ширине W приводит к изменению скорости заращивания. Чем меньше длина канала, и тем больше утечка, тем больше через щель в единицу времени проносится загрязнений и молекул, способных адсорбироваться на стенках, тем интенсивней идёт процесс заращивания щели. Весьма чувствительна интенсивность облитерации к изменению высоты зазора һ. При достаточно большой высоте зазора уменьшение расхода либо не происходит, либо происходит столь незначительно, что облитерация практически не влияет на расход. При проливке через щель с небольшой высотой h расход уменьшается со временем значительно. Этот вывод был сделан на основании данных проливок через плоские щели. Минимальный зазор, при котором расход не меняется со временем, зависит от тонкости очистки жидкости, а также от склонности жидкости образовывать на стенках каналов адсорбированные граничные слои. Для выяснения влияния геометрии кольцевого зазора на облитерацию была выполнена серия экспериментов на цилиндрической плунжерной паре [1]. В опытах диаметр гильзы составлял d = 25 мм, а длина щели 10 мм. Диаметр плунжера изменялся притиркой, так что зазор при концентричном расположении плунжера в гильзе поочередно равнялся 10, 25 и 30 мкм. Через щель при температуре жидкости +30 °C при перепаде давления Δр = 5,0 МПа проливали керосин, очищенный от загрязнений фильтром 12ГФ-5C. При постоянных размерах плунжера и гильзы, образующих кольцевую щель, величину зазора можно было регулировать в зависимости от положения плунжера в гильзе - концентричное или эксцентричное. При касании плунжера поверхности гильзы (рис. 2) эксцентриситет максимален, а величина его равна значению зазора εmax = h0. При этом зазор h вокруг плунжера имеет переменную величину, изменяясь от hmin = 0 до hmax = 2h0: (5) где θ - полярный угол; h0 - зазор при концентричном расположении плунжера в гильзе. Конструкция образца прецизионной пары позволяла в экспериментах центрировать плунжер в гильзе и получать либо строго концентричную щель, либо поджимать плунжер к стенке гильзы так, чтобы получать эксцентричную щель с максимальным эксцентриситетом. Кривые изменения относительного расхода от времени, построенные по опытным данным, приведены на рис. 2. Из графика следует, что при концентричном расположении плунжера и зазорах h = 25 и 30 мкм величина относительного расхода постоянна и не меняется от времени, т. е. процесса облитерации каналов не наблюдалось. При эксцентричном расположении плунжера в гильзе относительный расход уменьшался и только примерно через 30 мин после начала проливки его величина стабилизировалась. Для плунжерной пары с зазором h0 = 25 мкм фактический расход составлял ~ 82 % от начального. В образце с высотой зазора h0 = 30 мкм стабилизированный расход составил Qст = 0,88Qн. Для объяснения этого расхождения следует исходить из того, что при очистке керосина от загрязнений фильтром 12ГФ-5C с сеткой саржевого плетения плоские щели зарастали только с высотой зазора менее 20 мкм, в щелях с большей высотой зазора облитерация не наблюдалась. В кольцевых эксцентричных щелях с переменной высотой канала часть живого сечения с размером зазора, меньшим 20 мкм, видимо, также забивается частицами загрязнения жидкости. Поэтому процесс проливки сопровождался уменьшением расхода. Остальная часть живого сечения щели, высота зазора в которой больше максимального размера частиц загрязнений, не зарастала. Данное объяснение справедливо лишь для жидкостей, не образующих на стенках каналов фиксированных слоев полярно-активных молекул, таких как керосин, бензин, глицерин. Большинство же минеральных масел вследствие взаимодействия полей, излучаемых стенками каналов с жидкостью, образуют на поверхности каналов граничные слои, уменьшающие живое сечение щели. Расчет, выполненный для эксцентричных щелей по формуле (5), показал (см. рис. 2) следующее. Предельный размер зазора, при котором происходит полная облитерация зазора, Рис. 1. Зависимость изменения расхода через плоскую щель от времени течения: 1 - экспериментальная кривая; 2 - теоретическая (без учета загрязненности жидкости) Е. А. Крестин, Г. В. Серебряков 183 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 составляет h = 20 мкм. Область зарастания щели при высоте h0 = 25 мкм составляет только 20 - 157°, а при высоте зазора h0 = 30 мкм эта зона будет еще меньше 20 - 140°. Так как доля площади живого сечения, забитой частицами загрязнений в щели с зазором h0 = 25 мкм, больше, чем в щели с h0 = 30 мкм, то и относительный расход через последнюю щель будет больше, чем через щель высотой h0 = 25 мкм. Течение жидкости при «стабилизации» расхода носит неустойчивый характер: расход на какое-то время становится несколько меньше среднего, затем скачком повышается и снова падает, и так продолжается непрерывно в процессе всего эксперимента. Это обусловлено тем, что при полном зарастании зазора рыхлые грязевые образования периодически смываются потоком вследствие градиента давления по концам канала. Причем кольцевая щель с высотой зазора 10 мкм зарастала полностью и при концентричном, и при эксцентрическом расположении плунжера в гильзе. При проливке через круглые отверстия жидкости АМГ-10 и керосина, очищенных фильтрами 12ГФ-5C, устойчивый характер течения в диапазоне давления от 1 до 60 МПа был получен в образцах с диаметром, превышающим 0,15 мм. При меньшем диаметре отверстий характер первоначального течения нарушался, при этом расход ступенчато уменьшался и через несколько минут течение жидкости прекращалось. Влияние давления Влияние перепада давления на процесс облитерации щелевого уплотнения изучали для масла AМГ-10 и керосина [8, 9]. Жидкость проливали через плоские щели высотой 10 и 14 мкм при перепадах давления 1,0: 2,0; 5,0; 10,0 МПа в течение 30 мин. Как и следовало ожидать (рис. 3), величина расхода с увеличением перепада давления возрастает. Это вызвано тем, что больший перепад давления по концам щели приводит к большему начальному расходу через зазор. При этом ускоряется процесс налипания адсорбированных слоев полярных молекул и увеличивается число частиц загрязнений, задерживаемых в щели в единицу времени. Опыты показали, что расход уменьшался вначале проливки более интенсивно, чем в последующее время. Интересную картину течения наблюдали при изменении перепада давления (рис. 4). Течение началось при перепаде давления по концам зазора Δр = 10 МПа. Как и следовало ожидать, расход с течением времени начал плавно уменьшаться. Затем после одного часа непрерывной проливки, когда течение через щель практически прекратилось, за время порядка трех секунд перепад давления по концам щели был резко увеличен до 12 МПа. Это привело к одномоментному увеличению расхода, после чего щель снова начала зарастать. Подобную картину наблюдали и при последующем увеличении перепада давления до 14,0 МПа, а затем и до 16,0 МПа. По-видимому, плотность наслоений, приводящих к зарастанию щели, пропорциональна перепаду давления. Быстрое увеличение перепада давления приводило к частичному разрушению грязевого наслоения, которое впоследствии образовывалось вновь, но было более прочным, чем ранее, и способным сдерживать больший напор жидкости. Определенную роль в разрушении грязевых наслоений, вероятно, играет некоторое увеличение размера h из-за деформации деталей, образующих стенки канала. Влияние температуры и осциллирующих движений плунжера Как известно, повышение температуры жидкости приводит к уменьшению ее вязкости, а значит и к увеличению утечек через зазоры Рис. 2. Характер изменения относительного расхода керосина от размера зазора и положения плунжера в гильзе: 1-h0 =25 и 30 мкм, ε = 0; 2-h0 = 30 мкм, ε = εmax; 3-h0 =25 мкм, ε = εmax; 4-h0 = 10 мкм, ε = 0; 5-h0 = 10 мкм, ε = εmax Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 184 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА щелевых уплотнений. Если придерживаться гипотезы механического забивания микронных каналов бесконтактных уплотнений загрязнениями жидкости, то с увеличением температуры процесс облитерации каналов должен ускориться. Это подтвердили результаты экспериментов [1]. На рис. 5 показана зависимость относительного расхода керосина от времени при различной температуре жидкости. Приведены результаты проливок через плоскую щель с высотой зазора 10 мкм при перепаде давления 5,0 МПа. Из графиков видно, что чем выше температура жидкости, тем интенсивнее идет процесс облитерации щели и тем быстрее уменьшается расход. Из практики известно, что если детали, образующие капиллярный канал и находящиеся в покое при определенном перепаде давления, привести в движение относительно друг друга, то утечки через щель возрастают. Это обусловлено тем, что при перемещении деталей проходит разрушение рыхлых пластов из ориентированных молекул и из зазора вымываются частички загрязнений. Для определения влияния осциллирующих (поступательных) движений на изменение расхода жидкости через кольцевые щели эксперименты выполняли с плунжерными парами диаметром 12 и 25 мм. К образцам подводили масло АМГ- 10 и керосин под давлением 10; 20; 30 и 40 МПа. В процессе эксперимента непрерывно измеряли утечки. В первом опыте плунжер был неподвижным, во втором - при постоянных осциллирующих колебаниях плунжера с частотами 1, 6, 20 и 60 Гц и амплитудой ~ 0,5-0,8 мм. При осцилляции плунжера утечка оставалась стабильной в течение всего эксперимента, который длился порядка 40 мин. При неподвижном плунжере утечка уменьшалась. При осциллирующем плунжере расход оказался меньшим, чем при неподвижном плунжере. Это объясняется тем, что колеблющийся плунжер, в отличие от неподвижного, занимает в гильзе положение, близкое к концентричному, при котором утечки минимальные. Заканчивая рассмотрение вопросов, связанных с явлением облитерации, необходимо сделать выводы, которые следует учитывать как в практике приемо-сдаточных испытаний гидроагрегатов с щелевыми уплотнениями, так и в процессе эксплуатации. Выводы. 1. Учитывая, что расход жидкости при течении через щели микронных размеров обычно изменяется со временем, поэтому при оценке герметичности следует использовать среднюю величину расхода, измеренную в течение нескольких минут. 2. В технических условиях на испытание необходимо оговаривать, через какое время после подвода давления к агрегату следует начинать измерение утечек. Рис. 5. Зависимость относительного расхода жидкости от времени для различных температур (h= 10 мкм, Δp = 5,0 МПа): 1 - 50 °C; 2 - 75 °С; 3 - 100 °С Рис. 4. Характер изменения расхода жидкости через плоскую щель с h = 10 мкм при периодическом и быстром увеличении перепада давления Рис. 3. Влияние перепада давления на относительный расход жидкости АМГ-10 (h = 10 мкм): 1 - Δp = 1 МПа; 2 - Δp = 2 МПа; 3 - Δp = 5 МПа; 4 - Δp = 0 МПа 10 МПа 16 МПа Е. А. Крестин, Г. В. Серебряков 185 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 3. Для восстановления расхода утечек заросшей щели необходимо детали, образующие щель, привести в движение с относительным друг к другу перемещением. Такой же эффект дает ступенчатое увеличение перепада давления на щели. Целесообразнее всего измерение расхода начинать сразу же после нескольких переключений агрегата. 4. Утечку при испытаниях следует измерять при условиях, соответствующих работе агрегата при эксплуатации, т. е. при рабочем давлении и температуре. 5. Необходимо учитывать также, что фактический расход будет значительно отличаться от опытного, если степень фильтрации жидкости в стенде и реальная в гидросистеме существенно отличаются. 6. При проведении приемосдаточных испытаний гидроагрегатов рекомендуется использовать рабочую жидкость, отвечающую всем требованиям технических условий. Исключение может быть сделано только в тех случаях, когда можно доказать нечувствительность гидравлического механизма к изменениям того или иного свойства жидкости. 7. Для устранения или значительного снижения интенсивности облитерации каналов и достижения устойчивых расходов необходима тщательная фильтрация жидкости, при этом следует применять жидкости, не образующие на стенках каналов полимолекулярные слои полярно-активных молекул. Тонкость фильтрации должна быть такой, чтобы в очищенной жидкости не было частиц размером, равным и более высоты зазора. 8. Стабильный расход можно получить при течении через зазоры плунжерных пар, совершающих осциллирующие движения.

About the authors

Evgeny A. KRESTIN

Samara State Technical University

Grigoriy V. SEREBRYAKOV

Samara State Technical University

References

Supplementary files